新型粒子探测器——多气隙电阻板室的性能研究

摘要

高能重离子对撞物理是20世纪70年代以来形成的个新的研究领域，其目的是研究在相对论和极端相对论条件下，由核一核碰撞所产生的极端高温，高密度核物质的性质，探测新的核物质相。这种研究对人们了解粒子物理，核物理和有关宇宙形成及其演化都具有非常重要的意义。美国布鲁克海汶国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)能够将碰撞核子加速到几百GeV，目的是通过分析末态粒子携带的信息寻找夸克胶子等离子体(QGP)，进一步研究和发现新物质形态和新粒子。RHIC-STAR探测器的物理目标是研究高能量密度下强相互作用的物质，寻找QGP。为了提高STAR探测器的粒子鉴别能力，中美双方正在合作建造多气隙电阻板室(MRPC)飞行时间谱仪(TOF)。MRPC具有探测效率高和时间分辨好等优点，工作在雪崩模式下的MRPC具有几百Hz/cm2的计数率能力，可以满足粒子多重性探测要求。 该论文围绕新型粒子探测器MRPC的基本性能研究，从4个方面展开详细的分析和研究。分别从工作气体环境的变化，电极材料的变化，读出电极尺寸的变化，以及几何结构变化等几方面研究MRPC的基本性能，以进一步了解掌握MRPC的工作机理和工作条件。本论文的全部实验工作都是基于宇宙线测试完成的。 通过对MRPC的工作气体温度和气体比分的变化对其性能的影响的研究，揭示了MRPC的雪崩过程对环境温度和气体比分的依赖性，为掌握MRPC运行的物理机制提供了重要的数据，同时为MRPC的工作环境条件的控制提供了可靠的依据。工作气体对MRPC性能的影响包括两个方面：工作气体温度的改变和气体成分比例的改变。实验发现，随着气体温度升高，MRPC的暗电流增加，噪声呈指数上升，效率坪提前和平均电荷量增加。这些实验现象和规律可以用MRPC的雪崩放大的增益随温度增加而增加来解释。气体温度的升高造成原初电离密度变小，电子的平均自由程变大，电子的电离截面增加，有效汤生系数的增大，气体增益变大，MRPC的信号幅度，噪声，暗电流，效率都随气体增益的增大而增加。流气式工作的MRPC，气体压强不变，气体密度随温度升高而变小，依赖E/ρ的气体增益随温度升高而变大。在温度变化较小时，论文工作提出可以用经验公式V=VαP0T/PT0来调整工作条件。不同气体比分对MRPC性能的影响，主要由气体本身的性质决定，电子的平均自由程随氟利昂在混和气中的比分升高而减小，电子电离截面变小，汤生系数变小，电子漂移速度变慢，所以感应信号幅度变小，MRPC的效率降低。即随氟利昂比分增多，探测效率坪后移。本文计算了气体温度改变和不同气体比分下的气体参数，用蒙特卡罗方法模拟了气体条件改变时对MRPC特性的影响，模拟结果与实验非常符合。通过实验和模拟的结合分析，了解了工作环境对MRPC性能的影响本质是气体增益的变化，导致MRPC的性能随之发生了变化。所以保证MRPC正常工作的前提是必须保证工作环境的稳定合适，由此对工作环境的控制变得尤其重要。 为了研究电极材料的面电阻率对MRPC性能的影响，比较了两种不同面电阻率电极的MRPC的性能。电极面电阻率对MRPC串扰(crosstalk)的影响来源于三个方面，读出条之间的电容耦合，感应信号在电极上分布(footprint)的几何尺寸，电子学的线路之间的串扰影响。本文主要对后两方面加以研究。通过实验和理论计算表明电极面电阻率大的电极材料的MRPC，信号之间的串扰较小，给出了明确的数值比较。两种电极材料的MRPC的串扰随甄别阈的减小都增大。进一步研究结果表明串扰主要来自相邻读出条上言号之间的相互影响，而电予学线路间的影响较小。另外电极的面电阻率大，会使感应信号更集中在某个小区域或某个读出条上，对旁边读出条的信号影响较小，即串扰较小。电极表面电阻率大的MRPC的其他基本性能宇宙线测试结果都很好。 为了研究MRPC的感应信号在长读出条上的分布，以及读出条尺寸的改变对MRPC性能的影响，从实验上给出了时间分辨随读出条位置的变化关系和信号在长读出条上的传输速度。读出条两端的时间分辨可以达到100ps，与“标准”尺寸的MRPC时间分辨相当。由于信号在读出条上的反射，在读出条中间部分的时间分辨变差到约130ps，这是因为反射信号与真信号叠加在一起，叠加后的信号时间前沿变慢，造成时间分辨变差，在长读出条的信号引出端，因为真信号和反射信号可以明显的分开，所以时间分辨不受反射信号的影响，在读出条的非信号引出端，真信号与反射信号在时间上基本相同，信号的叠加不会使信号时间前沿变慢很多，所以时间分辨也很好。信号在长320mm的读出条上传播时幅度没有衰减。通过信号在读出条上的传输时间与传输距离的对应关系，计算出信号在读出条上的传输速度约为50ps/cm。 通过对标准6气隙MRPC和双模块结构的实验研究，结果表明它们的时间分辨和探测效率都可以满足TOF探测器的物理要求，相比较，双模块结构的MRPC的探测效率更高，时间分辨更好，效率坪区更长。 综合对MRPC基本性能的研究，给出一套宇宙线测试MRPC性能的参考标准：气体：C2F4H2/iso-C4H10=95％/5％；环境温度：22±50C暗电流：＜2nA；噪声：＜50Hz/pad；时间分辨：＜120ps；探测效率：＞80％；雪崩信号比例：＞80％。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：插图及表格

第一章 引言

第二章 RHIC-STAR实验

第三章 工作环境对MRPC性能影响的研究

第四章 表面电阻率不同的电极材料对MRPC性能影响的研究

第五章 几何结构变化对MRPC的性能影响的研究

第六章 长读出条尺寸变化对MRPC性能影响的研究

第七章 结论

参考文献

攻读期间的研究成果及发表的论文

致谢